Микроскоп, способный «замораживать время», выхватывая одну квинтиллионную долю секунды

Новый электронный микроскоп может эффективно останавливать время, делая снимки событий, что длятся всего 1 аттосекунду. Это имеет смысл потому, что субатомный мир трудно визуализировать. И не только потому, что он невероятно мал, но и потому, что события в нем протекают с невероятной скоростью. Физикам из Университета Аризоны удалось собрать самый быстрый в мире электронный микроскоп, чтобы фиксировать события, длящиеся всего одну квинтиллионную секунды.

Довольно часто я пишу про мозг ^[1] и сознание, но есть процессы, что протекают в глубинах не только нейронов, но и электромагнитных импульсов, активирующих нейроны. Вместе с теорией о фазовом состоянии мозга ^[2] ситуация выглядит любопытно.

Съемка в доли секунд

Хорошая камера с выдержкой в ​​миллисекундах может сделать четкий снимок бегущего человека. Но самые быстрые «камеры» в мире — просвечивающие электронные микроскопы — могут запечатлеть события в масштабе аттосекунд. Например, сфотографировать бегущий электрон. Аттосекунда — это одна квинтиллионная секунды, что делает миллисекунду (тысячную долю секунды) вечностью. Нечто подобное ощущает человек, находясь в быстрой фазе сна, когда искажается восприятие времени ^[3].

Если мы попробуем провести сравнение, то в одной секунде будет столько же аттосекунд, сколько секунд в 31,7 миллиарда лет. Это в два раза больше, чем срок жизни нашей вселенной. Здесь мы сталкиваемся с поистине непостижимыми числами.

Предыдущие попытки запечатлеть события в квантовом масштабе времени дошли до предела 43 аттосекунд ^[4]. Тогда исследователи называли снимок как «самое короткое контролируемое событие, когда-либо созданное человечеством». А теперь команда Университета Альберты пошла еще дальше, заморозив время в формате одной аттосекунды.

Новая работа основана на исследованиях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анн Л'Юйер, которые сгенерировали первые световые импульсы, достаточно короткие для измерения в аттосекундах. Это принесло команде Нобелевскую премию по физике ^[5] в 2023 году.

Построение аттомикроскопа

Для нового исследования ученые разработали то, что они называют «аттомикроскопом». Сначала импульс ультрафиолетового света выстреливается в фотокатод, который высвобождает сверхбыстрые электроны внутри аттомикроскопа. Затем лазерный импульс разделяется на два луча, и оба луча посылаются в электроны, движущиеся через микроскоп. Один из этих лучей поляризован, и они приходят в немного разное время, генерируя «стробированный» электронный импульс, который может визуализировать образец. В данном случае речь идет про графен.

Схема аттомикроскопа. Ультрафиолетовый лазер (розовый) запускает сверхбыстрый импульс электронов (зеленый) внутри аттомикроскопа. Затем лазерный импульс разделяется на два луча (оранжевый), которые попадают на образец в немного разное время, запуская один аттосекундный электронный импульс, который визуализирует образец.

Используя эту технологию, команда смогла сгенерировать ^[6] электронные импульсы длительностью всего в одну аттосекунду, что позволило наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое обычно невозможно увидеть. Исследователи говорят, что этот прорыв может иметь применение в квантовой физике, химии и биологии.

Улучшение временного разрешения в электронных микроскопах давно ожидалось и было в центре внимания многих исследовательских групп, потому что ученые хотят видеть движение электронов. Эти процессы занимают аттосекунды. Но теперь, впервые, мы можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного просвечивающего микроскопа — и мы назвали это «аттомикроскопией». Впервые мы можем видеть части электрона в движении.

Мохаммед Хассан, автор исследования.

Мир велик и удивителен. То, что еще пару десятилетий назад было элементом фантастических фильмов, сегодня шаг за шагом воплощается в реальности. Больше материалов про странные инструменты для работы мозга ^[1], технологии и перспективы – вы найдете в нашем сообществе ^[7]. Заглядывайте, чтобы держать под рукой полезный контент.